高中物理研究性學(xué)習(xí)案例

姚志清 李建莉

摘 要：研究性學(xué)習(xí)在高中物理教學(xué)中發(fā)揮著重要的作用。研究性學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)通過實(shí)踐，增強(qiáng)探究和創(chuàng)新意識，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法，發(fā)展綜合運(yùn)用知識的能力。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動；高中物理；研究性學(xué)習(xí)

在“發(fā)射”與“回收”實(shí)驗(yàn)中，使滑塊在水平的氣墊導(dǎo)軌上做勻速直線運(yùn)動，在某時刻將滑塊上小槽里小球豎直彈入空中，觀察到滑塊繼續(xù)前進(jìn)，經(jīng)過一小段時間后，小球仍然落到滑塊上的小槽內(nèi)。在這個實(shí)驗(yàn)中，它仍向前運(yùn)動，并最終落回到小槽中，也就是說小球向前的運(yùn)動不需要力來維持。

2000多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德提出：必須有力作用在物體上，物體才能運(yùn)動。這種觀點(diǎn)統(tǒng)治人們的思想有2000年，直到17世紀(jì)，意大利科學(xué)家伽利略，指出這種說法是錯誤的。他通過“偵察”方法，發(fā)現(xiàn)了正確的線索，揭示現(xiàn)象的本質(zhì)，成為物理學(xué)的福爾摩斯。

一、伽利略的研究

1.伽利略的觀點(diǎn)

伽利略認(rèn)為運(yùn)動的車停下來是由于摩擦力的原因，運(yùn)動物體減速的原因是摩擦力。伽利略提出了自己的看法，他指出：物體一旦具有某一速度，如果沒有減速的原因，這個速度將保持不變。

2.理想斜面實(shí)驗(yàn)

從生活中獲知，粗糙程度會影響物體的運(yùn)動，當(dāng)球從斜面上向下自由運(yùn)動時，它的速度增大，而向上運(yùn)動時，速度減小。伽利略為了說明他對運(yùn)動與力關(guān)系的認(rèn)識，設(shè)計了理想斜面實(shí)驗(yàn)，裝置圖略。

小球沿左邊的斜面從靜止開始向下運(yùn)動，小球?qū)ⅰ皼_”上右邊的斜面，如果沒有摩擦，小球?qū)⑸仙皆瓉淼母叨?，減小右邊斜面的傾角，小球在這個斜面上將達(dá)到同一高度，但這時它要運(yùn)動得遠(yuǎn)些。繼續(xù)減小右邊斜面的傾角，球達(dá)到同一高度時就會離得更遠(yuǎn)。伽利略將此實(shí)驗(yàn)外推到將右邊斜面放平，得到結(jié)論：球?qū)⒂肋h(yuǎn)運(yùn)動下去，卻不再需要什么力去推動。這就是說，力不是維持物體運(yùn)動的原因。

3.針和單擺實(shí)驗(yàn)

伽利略對擺球擺動現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)觀察，實(shí)驗(yàn)裝置如下圖：

圖1中擺球從某位置釋放，做弧線運(yùn)動，到達(dá)最低點(diǎn)，并繼續(xù)向前做弧線運(yùn)動，到達(dá)與釋放處幾乎等高的位置，圖2擺球前段運(yùn)動與圖1相同，繼續(xù)運(yùn)動到擺線的一段被擋住后，擺球仍然能運(yùn)動至與釋放處幾乎等高的位置。圖2中改變針的位置，小球都試圖到達(dá)與釋放處等高的位置。

實(shí)驗(yàn)中選密度大的擺球，可減小阻力對實(shí)驗(yàn)的影響。由分析可知，這個實(shí)驗(yàn)與伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)具有內(nèi)在聯(lián)系，改變針的位置相當(dāng)于改變斜面的傾角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果給理想斜面上小球能回到原來的高度提供了證據(jù)。

二、探究力與運(yùn)動的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄克矫嫔线\(yùn)動的物體會停下來與什么因素有關(guān)。

1.探究思路

實(shí)驗(yàn)方案：小車從斜面上同一位置滑下以相同速度開始在粗糙程度不同的水平面運(yùn)動，比較其運(yùn)動的距離。

實(shí)驗(yàn)裝置：斜面、鋪毛巾的木板、鋪衛(wèi)生紙的木板、一般的木板。

實(shí)驗(yàn)步驟：a.固定實(shí)驗(yàn)裝置；b.在木板上鋪上毛巾，把小車從斜面適當(dāng)?shù)奈恢米杂舍尫?，記錄其在最終停止時的位置；c.取下毛巾，并在木板上鋪上衛(wèi)生紙，讓小車再從同一位置自由釋放，記錄最終停止時的位置；d.取下紙巾，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄小車在木板上面停止時的位置；e.整理器材。

2.實(shí)驗(yàn)信息處理（實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象初步分析）

對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析得出，表面越是粗糙小車越容易停下來，反之，小車運(yùn)動更長的距離后停下。

3.外推到光滑平面

用伽利略研究的方法，我們把實(shí)驗(yàn)結(jié)論外推到光滑，若沒有阻力，小車將永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。

4.補(bǔ)充

完成該實(shí)驗(yàn)應(yīng)該注意的事項(xiàng)：a.木板必須調(diào)至水平；b.小車每次都必須從斜面同一高度自由靜止釋放；c.實(shí)驗(yàn)過程中裝置、定位標(biāo)記要始終保持不變。

三、總結(jié)

伽利略用理想斜面實(shí)驗(yàn)和針與擺球?qū)嶒?yàn)從“點(diǎn)到線，線到面”的方法推廣到了“若將平面放平，則小球會一直運(yùn)動下去”，從而得出“力不是維持物體運(yùn)動的原因”這一結(jié)論。應(yīng)用伽利略研究的方法，可以將實(shí)驗(yàn)結(jié)論外推到光滑情形中，這樣小車將永遠(yuǎn)運(yùn)動下去。

四、研究心得

諾貝爾獎獲得者湯川秀樹曾說，對以往知識的熟知和對新鮮事物及其發(fā)展前景的敏感是一個人創(chuàng)造力的源泉。生活處處都是“物理”，關(guān)鍵要有一雙善于發(fā)現(xiàn)的眼睛和善于思考的頭腦。通過研究性學(xué)習(xí)，體會物理世界的神奇，感受前人的偉大，掌握許多學(xué)習(xí)方法，提升了自身的能力。

注：本文系2017年度甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃課題《研究性學(xué)習(xí)在物理和化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究》（課題立項(xiàng)編號：GS[2017]GHB0107）階段性研究成果。

作者簡介：姚志清（1992—），男，甘肅定西人，理學(xué)學(xué)士，二級教師，主要從事高中物理教學(xué)研究。

李建莉（1985—），女，甘肅白銀人，理學(xué)學(xué)士，一級教師，主要從事高中物理教學(xué)研究。

編輯 溫雪蓮